張英杰,楊新文,湯兆年
(1.同濟(jì)大學(xué) 上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201804;2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201804)
在國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要的指導(dǎo)下,城市軌道交通運(yùn)營里程不斷增多。隨著人民生活水平的不斷提高,車內(nèi)噪聲問題已經(jīng)嚴(yán)重影響了乘客的乘坐舒適性,成為各城市軌道交通運(yùn)營部門亟待解決的問題。在國際上,噪聲已經(jīng)被列為七大環(huán)境公害之一,針對(duì)軌道交通噪聲輻射規(guī)律、產(chǎn)生原因、傳播途徑與控制方法以及對(duì)人體的危害等研究也已經(jīng)展開。
目前我國地鐵的運(yùn)營速度通常在30~110 km/h,在這一速度區(qū)段內(nèi),車廂內(nèi)的噪聲來源主要為輪軌噪聲[1]。輪軌噪聲主要是由于輪軌相互作用產(chǎn)生高頻振動(dòng)引起的,輪軌表面粗糙度是引起地鐵車內(nèi)噪聲異常的重要原因。由于地鐵運(yùn)行密度較大、線路條件比較復(fù)雜、列車頻繁啟動(dòng)及制動(dòng)等實(shí)際狀況,使得各城市的地鐵線路內(nèi)均出現(xiàn)了嚴(yán)重的鋼軌波浪形磨耗(簡稱“鋼軌波磨”)。鋼軌波磨是鋼軌軌頂沿縱向表面出現(xiàn)的具有周期性和波浪形特征的不平順現(xiàn)象。針對(duì)地鐵中鋼軌波磨的狀態(tài)和車內(nèi)噪聲輻射問題,國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。劉維寧 等[2]針對(duì)北京地鐵的波磨現(xiàn)象進(jìn)行了調(diào)查研究,發(fā)現(xiàn)車內(nèi)280~400 Hz的異常噪聲主要是由于鋼軌波磨引起的。Zhao et al.[3]研究發(fā)現(xiàn),通過打磨鋼軌可以使地鐵車內(nèi)噪聲(A計(jì)權(quán)聲壓級(jí))降低3~4 dB。陳迅 等[4]發(fā)現(xiàn)車內(nèi)噪聲的顯著頻率與波磨通過頻率一致。張凱軒 等[5]通過鋼軌打磨前后的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)打磨后輪軌噪聲顯著頻段幅值明顯降低。陳卓[6]通過現(xiàn)場測試分析,發(fā)現(xiàn)波長為25.6~51.2 mm的波磨是地鐵車內(nèi)噪聲超標(biāo)的主要原因。郭建強(qiáng) 等[7]對(duì)地鐵司機(jī)室內(nèi)的噪聲進(jìn)行了測量,發(fā)現(xiàn)了3個(gè)司機(jī)室車內(nèi)噪聲顯著的頻率為295 Hz、359 Hz以及441 Hz,并通過仿真分析得出,隨著鋼軌粗糙度幅值的增加,司機(jī)室車內(nèi)噪聲也隨之增加。
地鐵車內(nèi)噪聲與鋼軌波磨之間的關(guān)系研究也取得了一些收獲,但各城市的軌道結(jié)構(gòu)和車輛運(yùn)營條件均不同,導(dǎo)致地鐵車內(nèi)噪聲與鋼軌波磨的關(guān)系很難獲得共性結(jié)論,因此非常有必要進(jìn)行研究。本文將針對(duì)某既有運(yùn)營地鐵線路,進(jìn)行鋼軌波磨與運(yùn)營車輛車內(nèi)噪聲的測試和理論仿真分析,通過頻譜分析其二者之間的關(guān)系,為城市軌道交通減振降噪和工務(wù)養(yǎng)護(hù)管理提供理論參考。
選取上海某既有運(yùn)營地鐵線路,分別對(duì)其鋼軌波磨情況和運(yùn)營時(shí)的車內(nèi)噪聲進(jìn)行測量。圖1所示為維護(hù)天窗期內(nèi)對(duì)鋼軌波磨進(jìn)行測試,利用CAT4波磨小車進(jìn)行測量,該小車測試精度為1 m 500個(gè)點(diǎn),機(jī)械接觸式采集。
對(duì)車內(nèi)噪聲的測試選擇在日常列車的運(yùn)營過程中。根據(jù)GB 14892—2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》5.6.2規(guī)定[8],在客室內(nèi)測量時(shí),傳聲器應(yīng)置于客室縱軸中部,距地板高度1.2 m的位置。因此分別在車頭、車尾的車廂規(guī)定位置處布設(shè)了噪聲測量裝置,圖2展示了車內(nèi)噪聲測點(diǎn)布置情況。測試裝置采用INV3800系列手持聲學(xué)測試儀。
圖1 鋼軌波磨測試現(xiàn)場圖
圖2 車內(nèi)噪聲測點(diǎn)布置示意圖
考慮到實(shí)際運(yùn)營過程中,列車啟動(dòng)階段和制動(dòng)階段的主要噪聲源并非輪軌噪聲。相關(guān)研究表明,當(dāng)列車速度超過35 km/h時(shí),車內(nèi)噪聲的主要來源為輪軌噪聲[9];而波磨測試區(qū)段均在區(qū)間中段。因此,車內(nèi)噪聲測試在列車運(yùn)行速度達(dá)到50 km/h以上時(shí)進(jìn)行。圖3為列車運(yùn)營時(shí)車內(nèi)噪聲現(xiàn)場測試圖。
圖3 列車運(yùn)營時(shí)車內(nèi)噪聲現(xiàn)場測試圖
軌面短波不平順測試數(shù)據(jù)在里程域(時(shí)域)上具有隨機(jī)性,通過頻域分析可以更直觀地表現(xiàn)其特征。因此,將測試的鋼軌波磨里程域數(shù)據(jù)進(jìn)行水平譜(粗糙度譜)轉(zhuǎn)換,并采用1/3倍頻程來表現(xiàn)。根據(jù)測試區(qū)間內(nèi)鋼軌短波不平順?biāo)阶V,引入鋼軌短波不平順?biāo)阶V標(biāo)準(zhǔn)(ISO 3095:2005《鐵路應(yīng)用 聲學(xué) 軌道車輛發(fā)出的噪聲測量》)作為參考的標(biāo)準(zhǔn)。如果測試鋼軌短波不平順?biāo)阶V曲線在標(biāo)準(zhǔn)線下方,則認(rèn)為該波長段的不平順幅值低于ISO 3095:2005標(biāo)準(zhǔn)的幅值,線路鋼軌狀態(tài)良好;反之則認(rèn)為超過ISO 3095:2005標(biāo)準(zhǔn)的幅值,線路鋼軌狀態(tài)惡劣。
通過測試得到噪聲的時(shí)域曲線和波形,噪聲信號(hào)在時(shí)域上是離散的,但在頻域上則是周期的,因此通過離散傅里葉變換將噪聲的時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù),進(jìn)而繪制出噪聲頻譜圖進(jìn)行頻譜分析。在進(jìn)行車內(nèi)噪聲動(dòng)態(tài)測試之前,先測試列車在靜止條件下的車內(nèi)背景噪聲,而后對(duì)各測試區(qū)間分別進(jìn)行車內(nèi)噪聲測試。針對(duì)地鐵車內(nèi)噪聲來源多樣的問題,本文結(jié)合噪聲疊加原理,考慮到車內(nèi)噪聲來源復(fù)雜,難以達(dá)到同方向、同頻率、相位差恒定的干涉條件。因此認(rèn)為車內(nèi)噪聲均不相干。根據(jù)聲壓級(jí)計(jì)算公式以及噪聲疊加原理,可得到下列計(jì)算公式:
Lp1=10lg(100.1Lp-100.1Lp2)
(1)
式中:Lp1——輪軌噪聲;
Lp2——車內(nèi)其他來源噪聲;
Lp——車內(nèi)總聲壓級(jí)。
下面結(jié)合式(1)對(duì)車內(nèi)所測噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行除雜處理。
對(duì)軌面短波不平順測試數(shù)據(jù)進(jìn)行2.1節(jié)中所述處理,得到各區(qū)段鋼軌表面粗糙度1/3倍頻程波長譜。引入ISO 3095:2005鋼軌短波不平順?biāo)阶V標(biāo)準(zhǔn),本文選取其中2個(gè)區(qū)段進(jìn)行分析說明。
圖4為區(qū)段1鋼軌表面粗糙度1/3倍頻程波長譜。由圖4可知,該區(qū)段左軌具有嚴(yán)重的波磨現(xiàn)象,主要在波長31.5 mm和10 mm處出現(xiàn)峰值。而右軌的波磨程度則較輕,僅在波長為10 mm處出現(xiàn)峰值。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查分析,波長為10 mm的峰值是由于鋼軌接頭所引起[11],因此該區(qū)段主要的波磨波長為31.5 mm左右。圖5為區(qū)段2鋼軌表面粗糙度1/3倍頻程波長譜。由圖5可知,該區(qū)段左右軌均有較為嚴(yán)重的波磨現(xiàn)象,且左軌更加嚴(yán)重。主要的峰值出現(xiàn)在波長為200 mm、40 mm和10 mm附近。同樣,波長為10 mm的峰值是由鋼軌接頭引起。故該區(qū)段主要的波磨波長為200 mm和40 mm左右。
圖4 區(qū)段1鋼軌表面粗糙度1/3倍頻程波長譜
圖5 區(qū)段2鋼軌表面粗糙度1/3倍頻程波長譜
按照同樣的處理方法,對(duì)其他所測各區(qū)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,統(tǒng)計(jì)其波長譜峰值處對(duì)應(yīng)的波長,表1統(tǒng)計(jì)了各測試區(qū)段鋼軌粗糙度特征波長。
表1 各測試區(qū)段鋼軌粗糙度特征波長 mm
由表1可知,測試線路各區(qū)段均普遍出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的波磨現(xiàn)象,而特征波長主要集中在3個(gè)范圍內(nèi),分別為:160~200 mm、30~50 mm和10 mm左右。
圖6為區(qū)段1車內(nèi)噪聲測試結(jié)果,根據(jù)GB 14892—2006標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的83 dB車內(nèi)噪聲限值,由圖6可見,除加速和制動(dòng)階段,由于列車速度較慢導(dǎo)致車內(nèi)噪聲較低外,大部分運(yùn)行時(shí)間內(nèi)車內(nèi)噪聲均遠(yuǎn)超過了噪聲限值。
圖6 區(qū)段1車內(nèi)噪聲測試結(jié)果
根據(jù)2.2節(jié)中所述噪聲數(shù)據(jù)處理方法,對(duì)噪聲的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換,轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào),再按公式(1)對(duì)各頻段的噪聲進(jìn)行除雜處理,得到噪聲的頻譜圖。圖7為區(qū)段1車內(nèi)噪聲1/3倍頻程頻譜圖。
圖7 區(qū)段1車內(nèi)噪聲1/3倍頻程頻譜圖
由圖7可見,車內(nèi)噪聲在100 Hz以下的頻段內(nèi)無太大差異;在2 000 Hz以上的頻段內(nèi),運(yùn)營中和到站后趨勢基本一致;在100~2 000 Hz的頻段內(nèi),運(yùn)營中的車內(nèi)噪聲具備一定的特征,尤以800 Hz前后最為顯著。
按照同樣的處理方法對(duì)所測各區(qū)段噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。表2給出了各測試區(qū)段車內(nèi)噪聲顯著頻率。
表2 各測試區(qū)段車內(nèi)噪聲顯著頻率 Hz
由表2可以看出,測試線路各區(qū)段的車內(nèi)噪聲顯著頻率普遍在400~800 Hz。
由3.1節(jié)和3.2節(jié)的分析可知,該線路波磨的特征波長主要集中在3個(gè)區(qū)段。其中,10 mm波長已被證明為鋼軌接頭導(dǎo)致,不會(huì)對(duì)車內(nèi)噪聲產(chǎn)生太大影響。因此,引起車內(nèi)噪聲異常的特征波長為30~50 mm或160~200 mm。根據(jù)公式λ=v/f,結(jié)合地鐵實(shí)際運(yùn)營速度,可初步斷定波長為30~50 mm的波磨是引起地鐵車內(nèi)噪聲異常的主要原因。
為驗(yàn)證上述結(jié)論,本文利用WRNOISE輪軌噪聲預(yù)測分析軟件進(jìn)行仿真測試。該軟件是我國自主開發(fā)的主要用于輪軌滾動(dòng)噪聲預(yù)測的軟件,其有效性經(jīng)過了大量現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證,完全可以用來分析本文鋼軌波磨引起的輪軌噪聲。WRNOISE輪軌噪聲預(yù)測分析軟件通過輸入輪軌粗糙度和所需分析的運(yùn)行車速等條件,即可得出頻域輪軌相互作用力、車輪與鋼軌聲功率以及ISO 3095:2005標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定場點(diǎn)的聲壓值1/3倍頻曲線與A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。針對(duì)本文現(xiàn)場測試條件,將測得的區(qū)段1實(shí)際鋼軌波磨情況輸入仿真軟件,近似認(rèn)為車輪光滑,定義地鐵運(yùn)行速度為80 km/h,計(jì)算得到了距離輪軌接觸點(diǎn)橫向7.5 m、高1.2 m處(M1點(diǎn))噪聲特征情況(圖8)。
圖8 WRNOISE輪軌噪聲預(yù)測分析軟件
由圖8可知,WRNOISE輪軌噪聲預(yù)測分析軟件得到的特征頻率與實(shí)際測試所得的顯著頻率基本一致,證明該軟件具備一定的準(zhǔn)確性和參考價(jià)值。
為進(jìn)一步驗(yàn)證引起車內(nèi)噪聲異常的波磨波長范圍,本文分別設(shè)置了無特征波長(ISO 3095:2005標(biāo)準(zhǔn)值)、只有30~50 mm特征波長和只有160~200 mm特征波長的3種軌道粗糙度情況,在其他條件完全相同的情況下,應(yīng)用WRNOISE輪軌噪聲預(yù)測分析軟件依次進(jìn)行計(jì)算,對(duì)所得A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)進(jìn)行比較。計(jì)算結(jié)果如圖9所示。
圖9 WRNOISE輪軌噪聲預(yù)測分析軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比
由圖9可知,在只有160~200 mm特征波長的軌道上的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)與無特征波長軌道只差0.03 dB,而只有30~50 mm特征波長的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)超過其他兩組5 dB。可見,30~50 mm波長對(duì)輪軌噪聲的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于160~200 mm。因此,造成地鐵車內(nèi)噪聲異常的鋼軌波磨波長主要集中在30~50 mm。
前面已經(jīng)證明30~50 mm波長的波磨會(huì)引起車內(nèi)噪聲的異常,且該波長范圍內(nèi)的波磨波幅越大,車內(nèi)噪聲越大。為進(jìn)一步確定二者關(guān)系,利用等效連續(xù)A聲級(jí)作為衡量車內(nèi)噪聲水平的依據(jù);以各區(qū)段30~50 mm范圍內(nèi)的顯著波長作為衡量對(duì)象,以其超過ISO 3095:2005標(biāo)準(zhǔn)的值為該區(qū)段短波長波磨水平。
等效連續(xù)A聲級(jí)(下文用“Leq”代表),即采用聲能在同一時(shí)間段內(nèi)平均的方法來求得該等效聲級(jí)。A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)反映了噪聲的客觀強(qiáng)度與頻率這2個(gè)因素在人主觀上引起的感受,A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)越高,噪聲引起的危害越大。Leq計(jì)算公式如下:
(2)
式中:LPA——某時(shí)刻t的瞬時(shí)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí),dB;
t——時(shí)間,s。
根據(jù)上述方法對(duì)各區(qū)段短波波磨水平和車內(nèi)噪聲水平進(jìn)行計(jì)算,利用最小二乘法進(jìn)行兩者的關(guān)系擬合,得到二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如圖10所示。
圖10 短波波磨水平與車內(nèi)噪聲水平關(guān)系曲線
擬合關(guān)系式為:
Leq=77.131 2e0.010 4x
(3)
式中:x——短波波磨水平,dB。
根據(jù)前文的研究發(fā)現(xiàn),30~50 mm波長是造成地鐵車內(nèi)噪聲異常的主要原因。因此,抑制該波長范圍內(nèi)波磨的發(fā)展是控制車內(nèi)噪聲的直接方法[10]。目前鋼軌打磨是減緩鋼軌波磨最普遍的措施。但由于鋼軌打磨工作量大、效率不高,地鐵公司的人力物力有限,不能及時(shí)地對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨。而且,頻繁地打磨鋼軌會(huì)大大降低鋼軌壽命,增大運(yùn)營成本。同時(shí),現(xiàn)行工務(wù)管理制度沒有對(duì)鋼軌打磨限值做出明確規(guī)定,因此制定一套合理的鋼軌打磨限值標(biāo)準(zhǔn)是非常有必要的。
在ISO 3095:2005標(biāo)準(zhǔn)中,超過不平順?biāo)綐?biāo)準(zhǔn)值6 dB則建議打磨,如圖11所示[12]。在GB 14892—2006標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,地鐵車廂內(nèi)噪聲限值為83 dB,由于標(biāo)準(zhǔn)中的噪聲限值是在車廂內(nèi)人員小于4人的情況下測定,而在實(shí)際運(yùn)營期內(nèi)測試,需考慮乘車人員對(duì)噪聲聲壓級(jí)的影響,因此將噪聲限值適當(dāng)提高1~2 dB。
綜上,對(duì)30~50 mm短波波磨的打磨限值制定為:
(1) 當(dāng)車內(nèi)噪聲小于85 dB時(shí),不平順?biāo)匠^標(biāo)準(zhǔn)值的量小于6 dB,鋼軌無需打磨;
(2) 當(dāng)車內(nèi)噪聲小于85 dB時(shí),不平順?biāo)匠^標(biāo)準(zhǔn)值的量大于6 dB小于9 dB,鋼軌建議打磨;
(3) 當(dāng)車內(nèi)噪聲大于85 dB時(shí),不平順?biāo)匠^標(biāo)準(zhǔn)值的量大于9 dB,鋼軌需盡快打磨。
以上制定的打磨限值是在地鐵運(yùn)營期間進(jìn)行測試時(shí)的參照標(biāo)準(zhǔn)。若在空車情況下測試,需對(duì)上述噪聲標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)降低,可參考GB 14892—2006標(biāo)準(zhǔn)。
圖11 ISO 3095:2005標(biāo)準(zhǔn)鋼軌波磨限值
本文對(duì)某線路不同區(qū)段的鋼軌波磨情況、運(yùn)營期間的車內(nèi)噪聲情況進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測分析,經(jīng)過測試數(shù)據(jù)處理得到了鋼軌表面粗糙度的1/3倍頻程波長譜、車內(nèi)噪聲的1/3倍頻程頻譜和等效連續(xù)A聲級(jí)。通過對(duì)比鋼軌短波波磨與車內(nèi)噪聲的特性,得到了鋼軌短波波磨對(duì)車內(nèi)噪聲的影響水平,并得出了如下結(jié)論:
(1) 該線路鋼軌在波長30~50 mm和160~200 mm范圍內(nèi)的波磨普遍較為嚴(yán)重,大部分區(qū)段均超過了ISO 3095:2005標(biāo)準(zhǔn)的限值要求。該線路運(yùn)營期間的車內(nèi)噪聲也普遍超過了我國規(guī)定的限值(83 dB),且噪聲的顯著頻率為400~800 Hz,尤以630 Hz和800 Hz最為突出。
(2) 波長為30~50 mm的鋼軌短波波磨是引起車內(nèi)噪聲異常的主要原因,故而控制短波波磨的發(fā)展是降低車內(nèi)噪聲的重要途徑。結(jié)合測試和仿真結(jié)果,得出了鋼軌短波波磨水平與車內(nèi)噪聲的等效連續(xù)A聲級(jí)具有指數(shù)型對(duì)應(yīng)關(guān)系。
(3) 針對(duì)鋼軌短波波磨對(duì)車內(nèi)噪聲的影響,提出了30~50 mm短波波磨打磨限值,當(dāng)不平順?biāo)匠^ISO 3095:2005標(biāo)準(zhǔn)值的量小于6 dB時(shí)無需打磨;大于6 dB小于9 dB時(shí)建議打磨;超過9 dB時(shí)應(yīng)盡快打磨。